Лекции / УТСК-лекция_03_v01

2.4. Ходкость

Ходкостью судна называется его способность перемещаться по воде с заданной скоростью под действием приложенной к нему движущей силы.

Различают скорость на испытаниях, замеряемую при сдаточных испытаниях на мирной линии при определенных метеорологических условиях; эксплуатационную – в эксплуатационном режиме ЭУ при средних навигационных условиях; минимальную – определяемую минимальной устойчивой частотой вращения главного двигателя или скорость, при которой судно способно управляться.

Ходкость судна определяется сопротивлением воды и воздуха.

Полное сопротивление движению судна включает следующие составляющие:

(2.5)

(2.6)

Кацман, стр. 123

Таблица 2.1

Составляющие сопротивления

Составляющие сопротивления	Тихоходные суда Fr=0,15-0,18	Быстроходные суда Fr>0.27
Rтр Rф Rволн Rвозд	70% 24% 5 1	70 8 20 2

В таблице 2.1 скорость судна дана в относительных единицах Fr.

Числом Фруда называется:

(2.7)

Сопротивление трения (R_тр) вызывается трением, обтекающей корпус, воды.

Сопротивление формы (R_ф) вызывается обтеканием корпуса судна вязной жидкостью и образованием в носовой и кормовой частях судна зон повышенного давления, а в средней части – зоны пониженного давления. Волновое сопротивление (R_волн) определяется волнообразованием от движения судна.

Сопротивление трения легко поддается точному расчету и зависит от скорости хода, вязкости жидкости, площади смоченной поверхности и степени ее шероховатости. Причиной возникновения сопротивления трения является вязкость жидкости.

Вязкость жидкости – это свойство, в силу которого в ней проявляются силы внутреннего трения, препятствующие сдвигающим усилиям. Вязкость объясняется движением молекул и действием молекулярных сил. В газах вязкость в основном определяется первой причиной, в капельной жидкости – второй.

Рис. 2.3.

(2.8)

Коэффициент динамичной вязкости.

(2.9)

(2.10)

(2.11)

Вязкость жидкости характеризуют коэффициентом кинематической вязкости V.

V_воды (при t^o_воды=20^оС)=15⁶м/с. С уменьшением температуры вязкость увеличивается, с увеличением температуры вязкость падает.

Сопротивление трения определяется следующей формулой:

(2.12)

где - коэффициент трения эквивалентной пластины, - надбавка на шероховатость.

Кацман, стр. 125

В 1871 г. У.Фруд показал, что можно определить сопротивление трения судна путем буксировки тонких длинных досок, у которых практически могли быть исключены силы давления и оставлены только силы трения. На основе этих опытов было введено понятие эквивалентной пластины, под которой понимается технически гладкая пластина, имеющая длину, равную длине судна по действующей ВЛ, смоченную поверхность, равную смоченной поверхности судна и движущихся со скоростью судна.

Сопротивление формы и волновое сопротивление, объединяемые в одно, так называемое, остаточное сопротивление, оценивают по испытаниям модели судна в опытовом бассейне. Сопротивление формы так же вызвано влиянием вязкости и определяется перераспределением давления вдоль корпуса движущегося судна.

Рис. 2.4.

Кацман, стр. 131

Волновое сопротивление – это часть проекции на ДП результирующей гидродинамических давлений, возникающих в результате судовых волн (корабельных волн). Судовые волны являются следствием возникновения областей повышенного и пониженного давления вдоль корпуса судна при его движении. Судовые волны состоят из двух групп – носовой и кормовой. Носовая группа зарождается несколько позади форштевня, а комовая – несколько впереди ахтерштевня. Каждая из этих групп разделяется в свою очередь на две системы волн – расходящихся (с короткими гребнями) и поперечных. Гребни расходящихся волн лежат на прямых линиях, направленных под углом 18-20^о к ДП.

Рис. 2.5. Схема носовой и кормовой групп расходящихся волн

Рис. 2.6. Параметры регулирования волны

Рис. 2.7. Схема поперечных волн

Носовая группа волн обладает большей интенсивностью. При относительной скорости хода Fr<0.15 практически наблюдаются только расходящиеся волны. С увеличением скорости интенсивность поперечных волн возрастает, а расходящиеся волны становятся малозаметными.

Длина поперечной волны зависит от скорости судна.

(2.13)

где V_S – скорость в узлах.

Для скоростных судов уменьшением волнового сопротивления является важной задачей.

Замечание.

Морские транспортные суда часто длительное время движутся на акватории, ограниченной по глубине и ширине. Наиболее крупные морские порты находятся у устьях рек, поэтому подход к причалу осуществляется по каналам.

Уменьшение глубины фарватера влияет на все составляющие сопротивления и изменяет характер волнообразования. Параметрами, характеризующими движение судна на мелководье являются относительная глубина фарватера Н_ф/Т_m, где Н_ф – глубина фарватера, и относительная скорость движения.

(2.14)

При V=1.2 сопротивление на мелководье становится равным сопротивлению на главной воде.

Рис. 2.8.

Рис. 2.9.

Рис. 2.10.

Рис. 2.11.

Рис. 2.12. Характер волнообразования и сопротивления судна на мелководье

Буксировочная мощность судна – мощность, необходимая для преодоления силы сопротивления при буксировке с заданной скоростью.

(2.15)

Effective Poferde Stärke

Пропульсивный коэффициент – отношение буксировочной мощности к мощности на гребном валу.

(2.16)

Для современных судов ŋє(0,55÷0,75).

Оценку необходимой мощности двигателя можно получить используя адмиралтейские коэффициенты.

(2.17)

где N_e – КВТ, D – весовое водоизмещение, С – адмиралтейский коэффициент.

С определяется по судам прототипам. Для морских транспортных судов С=340-540.

2.8. Качка

Качка судна – это колебательные движения корпуса судна, совершаемые на тихой воде и морском волнении.

На тихой воде качка может возникать из-за шквала ветра, рывка буксирного троса. Раскачивание судна на тихой воде называется свободными колебаниями судна. Качка, вызванная морским волнением, называется вынужденными колебаниями судна.

Качка разделяется на:

• бортовую,

• вертикальную,

• килевую,

• рысканье,

• продольно-горизонтальную,

• поперечно-горизонтальную.

Наиболее важными являются бортовая, килевая и вертикальные качки (с точки зрения безопасности судна и условий обитаемости (комфортности)). Наиболее опасна и неприятна бортовая качка. Период свободных колебаний судна на тихой воде можно определить с использование м»капитанской» формулы.

(2.1)

С=0,78-0,81 для грузовых судов

С=0,85-0,88 для пассажирских судов, промысловых баз и научно-исследовательских судов.

В – ширина судна

h – поперечная метацентрическая высота

Из этой формулы видно, что 7 см ↑ h => ↓ Т, т.е. качка будет более порывистой и тяжелой. В этом состоит одно из главных затруднений, возникающих при проектировании судна, так как стремление увеличить остойчивость судна приводит к увеличению порывистости качки.

(2.2)

Период килевой качки на тихой воде обычно вдвое меньше периода бортовой качки. Приближенная формула для килевой качки имеет вид:

где Т – осадка, м.

Килевая качка не приводит к опрокидыванию судна, однако, при килевой качке может возникать заливание и оголение оконечности судна, удары корпуса о воду (днищевой и скуловой слеминг). Кацман, стр. 193

Рис. 2.1. Свободные колебания судна на тихой воде: а – вертикальная качка; б – килевая качка; в – бортовая качка

Успокоители качки.

Для уменьшения качки (умерения, демпфирования) используют успокоители качки.

Успокоители качки:

• пассивные

• активные

Пассивные системы по своей сути являются дополнением к конструкции судна (скуловые кили, пассивные бортовые системы).

Активные системы имеют датчики, систему управления, усилители мощности и органы управления (например, активные бортовые кили).

Рис. 2.2. Схема действия скуловых килей

Рис. 2.3. Пассивные успокоительные цистерны

Рис. 2.4. Активные бортовые рули

П

(2.3)

ри малых θ:

Д

(2.4)

ля судна в полном грузе:

где Н – высота борта на миделе.

(2.5)

(2.6)

K_r=0.086-0.089 – коэффициент, зависящий от формы ватерлинии и ее полноты.

Опыт кренования. На построенном судне, поперечную метацентрическую высоту определяют опытным путем – кренованием судна на 1,5-2^о переносом с борта на борт заранее взвешенного груза.

Значения поперечной метацентрической высоты для судов с полным грузом.

Большие сухогрузные суда 0,7-1,0 м

Средние сухогрузные суда 0,5-0,8 м

Большие наливные суда 2,0-4,0 м

Средние наливные суда 0,7-1,6 м

Речные пассажирские суда 3,0-5,0 м

Большие пассажирские суда 0,3-1,5 м

Остойчивость при больших углах крена.

По мере увеличения угла крена судна восстанавливающий момент сначала растет, затем уменьшается, становится равным нулю и затем меняет свой знак (становится опрокидывающим).

Остойчивость при поперечных наклонениях, измеряемых углами крена, называют поперечной.

Головин учения Эйлера.

Продольная остойчивость изучается для определения дифферента судна при воздействии внешних сил. Продольная остойчивость очень велика и опасность переворота судна через нос или корму отсутствует.

Рис. 2.5.

ρПоперечная остойчивость является важнейшей характеристикой судна, определяющей его мореходные качества и степень безопасности плавания.

10